Компаратор аналогових сигналов - курсовая работа

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ I НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

Компаратор аналогових сигналiв на базі мікроконтролера

Альбом документів курсового проекту по дисципліні

“Проектування мікропроцесорних пристроїв”

КІТЗІ11.022825.005 ДКП

Ізюм 2006

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою XXX

__________(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Компаратор аналогових сигналiв

Відомість проекту

КІТЗІ11.022825.005 ВП

Розробники

Керівник проекту

______(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Виконавець

______(XX x.x.. )

“_____”_________2006 р.

Ізюм 2006

Анотація

Курсовий проект присвячений розробці пристроя порівняння та обробки двух аналогових сигналiв, який може застосовуватись у різноманітних прикладеннях.

Розроблені структурна та функціональна схеми, а також виконано моделювання пристроя приймання та обробки аналогових сигналiв, за допомогою пакету MPLAB.

Annotation

This term project deals with working a device of reception and processing of analog signals, which to be used in different digital devices.

There have been made structure, functional, as well a device of reception and processing of analog signals, has been modeled by means of MPLAB

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою ОТП

__________(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Компаратор аналогових сигналiв

Технічне завдання

КІТЗІ11.022825.005 ТЗ

Розробники

Керівник проекту

______(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Виконавець

______(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Ізюм 2006

Техническое задание

Предложите микроконтроллерное устройство позволяющее ввести от двух независимых датчиков аналоговые сигналы постоянного тока (U1 и U2), сравнить их между собой и по результатам сравнения осуществить:

1. В случае равенства управление передается фрагменту программы с адресом A1 и устанавливается в «1» признак флаг F0

2. В случае неравенства признак F0 устанавливается в «0», в соответсвии с вариантом задания формируются управляющие сигналы, а управление передается на фрагмент программы с адресом A2

Дополнительные условия:

1. Тип используемого генератора тактовых импульсов - XT;

2. Способ формирования сигнала «Сброс» по выключению питания -Внешний;

3. Выходные (управляющие) сигналы - Импульсные:

Последовательность импульсов с изменяющейся длительностью (t_и) и паузой между ними (t_п),

где (t_иi) - длительность импульса в i-м периоде,

(t_пi) - длительность паузы в i-м периоде,

Велечины t_и и t_п задаются константами, хранящимися в ПД. Причем, велечины t_иi и t_пi можно выбирать самим.

1. Вимоги до виробу

Пристрій зрівняння та обробки аналогових сигналів.

2. Склад виробу, технічні характеристики і рекомендації

2.1 Принцип дії

Принцип даного пристрою засновано на зрівнянні 2 аналогових сигналів виконанні їх обробки та по результатам зрівняння виконання заданих дій.

2.2 Вхідні сигнали

Вхідні сигнали - сигнали пуску, зупинки які поступають з керуючого пристрою.

2.3 Живлення

Живлення пристрою виконати від джерела з напругою, В ……5.

3. Комплектність конструкторської документації

Конструкторська документація повинна містити наступні документи:

- відомість проекту

- технічне завдання

- пояснювальну записку

- схему електричну структурну

- схему електричну функціональну

- перелік елементів

4. Умови експлуатації

Температурний діапазон: +5…+40^оС.

Відносна вологість: 40%.

5. Термін здачі

Здати до 2006 року.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою ОТП

__________(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Компаратор аналогових сигналiв

Пояснювальна записка

КІТЗІ11.022825.005 ПЗ

Розробники

Керівник проекту

______(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Виконавець

________(XX x.x..)

“_____”_________2006 р.

Ізюм 2006

Реферат

Даний документ представляє собою пояснювальну записку обємом ХХ листів. У пояснювальній записці представлено Х таблиць, Х рисунків, використано Х джерел інформації.

Ключові слова: МІКРОКОНТРОЛЕР, ДАТЧИК, АНАЛОГОВИЙ СИГНАЛ, ЗРІВНЯННЯ ІНФОРМАЦІЇ.

В даному курсовому проекті розроблено пристрій зрівняння та обробки аналогових сигналів.

Розробка виповнена на мікроконтролері серії PIC. У пояснювальній записці приведені необхідні обставини, розрахунки та опис принципу дії як пристрою в загалі, так і його окремих функціональних блоків та вузлів. Розроблено та досліджено програмне запезпечення пристрою для приймання сигналів та їх зрівняння з подаль.

Альбом документів курсового проекту окрім пояснювальної записки містить креслення структурної та функціональної схеми пристрою.

Содержание

Введение

1. Выбор и обоснование основных технических решений

1.1. Детализация исходного ТЗ и постановка задачи (использование блочно-иерархического подхода при разработке данного устройства)

1.2. Возможные пути решения поставленной задачи

1.3. Обоснование выбора типа ОМК для решения поставленной задачи

2. Функциональная схема устройства и её описание.

2.1. Функциональная схема.

2.2. Назначение отдельных функциональных блоков

2.3. Описание принципа действия

3. Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания

4. Разработка и отладка рабочей программы.

4.1. Блок-схема алгоритма

4.2. Текст программы

Введение

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) позволяют существенно расширить интеллектуальные возможности различного рода устройств и систем. Они представляют собой, по сути, специализированные однокристальные микроЭВМ, содержащие для связи с внешней средой встроенные периферийные узлы и устройства, набор которых во многом определяет их функциональные возможности и области применения.

Они стали сегодня одним из самых распространенных элементов программируемой логики. Более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств в настоящее время составляют именно однокристальные микроконтроллеры.

В структуру ОМК семейства PIC заложено много различных функциональных особенностей, делающих их самыми высокопроизводительными, микропотребляющими, помехозащищенными, программируемыми пользователем 8-ми битными микроконтроллерами. Благодаря этим особенностям ОМК семейства PIC могут обрабатывать аппаратно-программным способом как дискретные, так и аналоговые сигналы, а также формировать различного рода управляющие сигналы, а также осуществлять связь между собой и ЭВМ, находящейся на более высоком иерархическом уровне в системе.

Существует два принципиально разных подхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемной логики или использование принципа программируемой логики.

Для выполнения задачи измерения временных интервалов наиболее подходящее является использование микроконтроллеров что позволяет оперативно изменять параметры настроек системы измерения.

1. Выбор и обоснование основных технических решений

1.1 Детализация исходного ТЗ и постановка задачи

Заданную выходную задачу можно разбить на 3 глобальных задачи:

1. Задача приема входных данных.

2. Задача обработки входных данных и принятие решения.

3. Выдача управляющего сигнала на объект управления.

В свою очередь задача приема входных данных содержит в себе 4 задачи малой размерности:

1. Обеспечение необходимых уровней входных сигналов;

2. Цикл ожидания;

3. Чтение порта ОМК;

4. Запись в РОН.

Задача обработки входных данных и принятия решения реализуется на основе 2 подзадач:

1. Чтение константы из ПЗУ;

2. Сравнение константы с РОН.

Задача выдачи управляющего сигнала на объект управления реализуется на задаче малой размерности - запись управляющего сигнала в выходной порт ОМК.

1.2. Возможные пути решения поставленной задачи (аппаратный или програманый)

Все МКУ разрабатываются с помощью программных и аппаратных способов реализации.

Преимущества аппаратной реализации заключаются в том, что:

а) использование специальных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом;

б) уменьшается время на разработку и отладку устройства.

Преимущества программной реализации такие;

а) меньшая стоимость и потребляемая мощность системы ;

б) меньшее количество компонент в системе, а значит выше надежность системы в целом;

в) время жизни системы значительно выше по сравнению с аппаратной

Цикл ожидания входных данных реализуем программно, так как в ТЗ строгих рамок к быстродействию системы нет и программный способ намного проще аппаратной реализации. Остальные задачи малой размерности: чтение порта ОМК и запись в РОН реализуемы только программно.

Глобальная задача обработки входных данных и принятия решения будет реализована программным путем, так как именно для этого предназначен микроконтроллер. Если же входные данные обрабатывать аппаратно (собрать схему на жесткой логике), тогда ТЗ теряет свой смысл, в нем оговорено спроектировать микроконтроллерное устройство, а значит для МК останется только задача выдачи управляющего сигнала (один бит информации). Такое сложное и мощное устройство как МК использовать только для этой цели не рационально. Поэтому обработкой входных сигналов будет заниматься МК под управлением соответствующей программы.

Глобальная задача выдачи управляющего сигнала на объект управления очень проста и так как не требуется создавать управляющий сигнал меньше или больше t_ц контроллера, то здесь будет нерационально использование дополнительных аппаратных средств с точки зрения габаритов, стоимости, надежности и потребляемой мощности, тем более выходной сигнал по ТЗ не должен изменяться пока на входной сигнал находится в допустимых пределах, поэтому эту задачу мы реализуем программным путем.

Дополнительным плюсом будет то, что часть первой глобальной задачи, вся вторая и третья задачи будут решаться МК и на него не ляжет задача по обеспечению информационных и синхронизирующих связей с другими аппаратными частями МКУ, что повысит надежность МКУ.

2. Функциональная схема устройства и её описание

2.1. Функциональная схема

Рис. 2.1 Функциональная схема МКУ

Назначение отдельных функциональных блоков

МКУ имеет внешний способ формирования сигнала «Сброс», основанный на интегрирующей цепочке (см. рис. 2.2).

2.3. Описание принципа действия

Для ввода двух сравниваемых напряжений используются два аналоговых канала (линии AIN0 и AIN1 порта А). Переключение каналов производится с помощью изменения битов CHS0 и CHS1 в регистре ADCON0, который предназначен для управления АЦП.

Структура регистра ADCON (Адрес 08h в памяти данных) следующая:

ADON - Включение АЦП:

ADON = 0: АЦП не работает и не потребляет тока;

ADON = 1: АЦП работает и занял линии ввода/вывода.

ADIF - Флаг прерывания по окончанию преобразования:

устанавливается аппаратно, когда преобразование закончено;

сбрасывается программно.

GO:/DONE -Запуск АЦП (начало преобразования):

устанавливается программно;

сбрасывается аппаратно, когда преобразование закончено.

CHS1,CHS0 - Выбор аналогового канала:

CHS1,CHS0 = 00: канал 0 (AIN0); 01: канал 1 (AIN1);

10: канал 2 (AIN2); 11: канал 3 (AIN3).

ADCS1,ADCS0 - Выбор частоты преобразования:.

ADCS0,ADCS0 = 00: fosc/2; 01: fosc/8;

3. Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания

Расчет потребляемых токов

Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть:

(3.1)

где Iобщ - общий ток, потребляемый устройством,

Ik - ток, потребляемый k-той микросхемой,

m - общее число микросхем,

n - число микросхем данного типа.

Получаем общий ток потребления:

Полученные данные удовлетворяют требованиям системной магистрали ISA (п.1.2).

Расчет потребляемой мощности

Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть:

Расчет надежности

Интенсивность отказов характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:

(3.3)

где m - число изделий, отказавших за время t,

N - число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.

Если предположить, что отказы различных элементов взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический характер, то есть полностью нарушают работоспособность, то интенсивность отказов устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов, составляющих устройство:

(3.4)

где i - интенсивность отказов элементов i-го типа,

ni - количество элементов i-го типа входящего в устройство.

Наработка на отказ равна:

(3.5)

Интенсивность отказов элементов следующая:

микросхемы - 0.8510^-6 (ч-1),

резисторы - 0.910^-6 (ч-1),

конденсаторы - 1.410^-6 (ч-1).

4. Разработка и отладка рабочей программы

4.1. Блок-схема алгоритма

Рис. 4.1 Алгоритм работы программы.

4.2. Текст программы

list p=16с71 ;определение типа мк

; #include <p16c71.inc> ;подключение файла p16с71.inc

;***** Объявление переменных ****************************

STATUS EQU 03H ;Регистр STATUS

PORTB EQU 06H ;Регистр порта В

ADCON0 EQU 08H ;Регистр управления АЦП

ADRES EQU 09H ;Регистр результата АЦП

;преобразования

INTCON EQU 0BH ;Регистр управления прерыва

;ниями

OPTREG EQU 81H ;Регистр OPTION

TRISB EQU 86H ;Регистр конфигурации порта В

ADCON1 EQU 88H ;Регистр конфигурации АЦП

RP0 EQU 5H ;Бит переключения страниц в

;регистре STATUS

F EQU 0Ch ;Флаг "F0"

I EQU 0Dh ;Счетчик

TI EQU 10h ;Задержка импульса

TP EQU 11h ;Задержка паузы

D2 EQU 0Eh ;Сигнал U1

D1 EQU 0Fh ;Сигнал U2

;**************** Рабочая секция *************************

ORG 0 ;Начальный адрес после сброса

GOTO BEGIN ;Переход на начало программы

ORG 300 ;Начальный адрес программы

; (следующая команда будет расположена по адресу 100H)

GOTO TEST ;Используем для отладки

;Ввод и преобразование сигналов U1 и U2

BCF ADCON0,3 ;Установить входной канал AIN0

BSF ADCON0,2 ;Начать процесс преобразования

;сигнала U1

LOOP1 BTFSS ADCON0,2 ;Ждать окончания преобразова-

;ния сигнала U1

GOTO LOOP1

MOVF ADRES,0 ;Результат преобразования

;сигнала U1 записать в W

MOVWF D1

BCF ADCON0,1 ;Сбросить флаг окончания пре-

;образования ADIFв регистре

;ADCON0

BSF ADCON0,3 ;Установить входной канал AIN1

LOOP2 BTFSS ADCON0,2 ;Ждать окончания преобразова-

;ния сигнала U2

GOTO LOOP2

MOVF ADRES,0 ;Результат преобразования

;сигнала U2 записать в W

MOVWF D2

BCF ADCON0,1 ;Сбросить флаг окончания пре-

;образования ADIFв регистре

;ADCON0

GOTO COMPARE

A2

BCF F,0 ;Установка флага F в "0"

MOVLW 3H ;Количество I

MOVWF I

M

MOVLW 10H ;Tи =10h

MOVWF TI

MOVLW 5H ;Tп =5h

MOVWF TP

MOVF I,W

ADDWF TI ;Tи =Ти+I

M1

BSF PORTB,0 ;Подаем "1" на выход

DECFSZ TI,1 ;Декримент Ти на 1

GOTO M1

ADDWF TP ;Tп =Тп+I

M2

BCF PORTB,0 ;Подаем "0" на выход

DECFSZ TP,1 ;Декримент Тп на 1

GOTO M2

DECFSZ I,1 ;Декримент I на 1

GOTO M

GOTO TEST

A1

BSF F,0 ;Установка флага F в "1"

GOTO TEST

4.3. Технология отладки программы

4.3.1. Моделирование

Исходя из технического задания, предлагаемое МКУ выполняет сравнение вводимых с 2 датчиков аналоговых сигналов и сравнение их между собой, далее в зависимости от результата сравнения, выполняются определенные действия. То есть, если U₁=U₂, то установка флага F0 в «1» и переход на метку А1, если же U₁<>U₂ - то установка флага F0 в «0» и переход на метку А0.

Так как в данной разработке сравнение чисел и управление выходным сигналом выполняется с помощью программы, написанной на языке Ассемблер, то необходима проверка работоспособности этой программы.

Проверка работоспособности программы осуществлялась с помощью среды MPLAB v 3.40. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

Запустить оболочку MPLAB v 3.40 (ПускПрограммыMicrochip MPLABMPLAB). Появится окно, изображенное на рис. 5.1. прокомпилировать и выполнить проект.

Рис.4.3. Вывод управляющих сигналов при неравенстве входных сигналов.

Заключение

В данном проекте был разработан компаратор аналоговых сигналов.

Устройство реализовано на однокристальном микроконтроллере типа PIC16C71.

Технические характеристики спроектированного устройства :

Потребляемая мощность, Вт ----

Наработка на отказ, ч. -----

Время выполнения программы, с -----

Написана программа для управления МК на языке Assembler, отлажена в среде MPLAB.

Результаты моделирования показали, что МК удовлетворяет всем заданным в ТЗ условиям.

Список использованных источников

1. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. Москва, «Высшая школа», 1987 - 317 с.

2. Алексенко А.Г.,Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.

3. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. -К.: Высшая школа главное изд-во, 1989 - 431 с.

4. Угрюмов Е.П. цифровая схемотехника.: БХВ - санкт - Петербург, 2000. - 529с

5. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.:Мир,2001. - 379с.